只差兩年，諾貝爾物理獎就是霍金霍大爺的？

2020-10-07 星辰大海路上的種花家

研究黑洞的羅傑·彭羅斯獲獎了，得獎原因是 「for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity" （發現黑洞的形成是對廣義相對論的有力預測），這不由得讓大家想起研究黑洞的鼻祖霍金霍大爺，可以說大部分朋友的黑洞知識都來自霍大爺的科普，所以很多朋友都在惋惜，要是霍大爺在世，他能獲得諾貝爾物理獎嗎？

黑洞的前世今生

雖然霍金幾乎就是黑洞的代名詞，但黑洞卻不是他搗鼓出來的，而是神一般存在的愛因斯坦，他在2015年底發布的引力場公式中就包含了這一推論！而大佬史瓦西則通過他神奇的腦袋在一站戰場就推導出了黑洞形成的條件，史稱史瓦西度規！

不要看這個名字高大上，看了讓人眼暈，但其實拋去時空這些不管的話，牛頓力學也能簡單理解一下！當年牛爵爺的萬有引力出來之後，他就想著怎麼飛出地球了，所以搗鼓了一個第一宇宙速度出來！

大意就是像地球那麼大那麼重的天體，會有一個環繞地球的速度讓它永遠掉不下來，就是這個環繞地球的離心力和引力相等時，按地球來說就是7.9千米/秒！那麼當地球的質量不變，直徑縮小到光速環繞才能不掉下來的程度，此時的標準就是史瓦西度規。

因為物質只有熱運動保持熱壓力才能不繼續坍縮，但光速是物質運動的上限，所以沒有東西再能阻止其坍縮，因此到此時地球就不可避免的坍縮成黑洞了，那麼這個縮小的尺寸是多大呢？大約是9毫米！

第一個黑洞

黑洞的理論預測後一直就成了天文學家追捧的熱點，但從理論上來分析，黑洞連光都套不出來，怎麼發現它？好在這個傢伙引力極大，胃口極好，啥都吃！所以這種難看的吃相在宇宙中就比較容易被發現了，天鵝座X-1就是第一個被發現的黑洞。

天鵝座X-1：甚大天線陣的觀測揭示了天鵝座A星系中心超大質量黑洞周圍圓環中存在的氣體

它在1964年一次X射線探測的火箭彈道飛行時被發現的，也是現在地球上觀測到最強大的X射線源之一，距離地球大約6070光年，根據其對伴星（一顆超巨星變星）的擾動，天文學家估計這個X射線源質量達到了太陽的14.8倍，而其根本就看不見，而且還有伴有強烈的X射線輻射！

因此黑洞就成了唯一的解釋，按史瓦西度規計算，它的事件視界半徑大約為26千米！從天鵝座X-1被發現後，越來越多的疑似天體被發現，到後來發現我們銀河系中心也存在一個超大質量的黑洞，據估計達到了太陽質量的400萬倍。

2019年4月10日，EHT對M87星系中心65億倍太陽質量的黑洞直接成像，使得大家從上帝角度觀測到了黑洞，還真和廣義相對論中預言的那樣，至此黑洞的存在已經從理論到疑似到實際被驗證，歷經100多年！

霍金霍大爺到底能得獎嗎？

黑洞從頭至尾都沒霍大爺啥事？其實錯了，黑洞雖然從理論到觀測都被驗證了，但其實黑洞有太多特性無法觀測，甚至無從研究，畢竟黑洞視界內是一個連光到跑不出來的地方，所以黑洞視界內的所有進展都是在理論上的！

奇點定理

1965年，當時博士都還畢業的霍大小夥子在找博士論文題，結果看到了大佬羅傑 ·彭羅斯的一篇黑洞論文，中心那個密度無窮大的那個點到底是什麼性質，因為在這裡一切物理定理都會失效，所以科學家都認為這個奇點可能根本就不存在，但彭羅斯卻毫無意外的證明了一點：「一旦形成事件視界，那麼視界內必定會有一個奇點」

這個結論引起了他極大的興趣！而且他還將此反推，將其應用到了宇宙大爆炸的反演上，在宇宙大爆炸誕生以前，請注意是以前！宇宙必定會不斷縮小，要將如此無知包含在內，那麼沒有什麼力量可以阻擋它坍縮，所以必定是一個無窮小的點，也就是大爆炸誕生以前的奇點！

無邊界假說

這個說的宇宙大爆炸以前那會，根據我們對宇宙大爆炸的理解，「當時」並沒有時間，空間，連物質都還在這個奇點「內」，所以無邊界假說就是形容奇點那會！

霍金認為宇宙誕生之初流逝的「虛數時間」，如何理解這個「虛數時間」？因為虛數平方是負數，這讓我們根本就無法理解時間，不如將其解釋為沒有時間和空間的狀態，也就是說當時的奇點根本就沒有所謂的邊界，因為不知道從哪裡開始算時間，也不知道哪裡開始算空間！這就是霍金霍大爺的無邊界假說！

奇點到宇宙大爆炸的虛數時間

這個狀態保持了多久當然也沒人知道，因為虛數時間無法用實數時間來衡量，但當宇宙的實數時間開始流逝時，宇宙就開始了急劇膨脹，這就是宇宙大爆炸的由來！

霍金輻射

從廣義相對論角度來說，掉入黑洞的物質就再也無法回到宇宙，畢竟光都無法跑出來，還有什麼能跑出來呢？但從熵增角度來考慮是存在極大問題的，因為只要將物質丟到黑洞裡，熵就消滅了，但根據熱力學第二定律，宇宙中的熵是永增不減的！

這表示黑洞也因為有熵而產生黑體輻射，因此霍金的黑洞輻射理論解釋了這個過程，後來就被稱為了霍金輻射！它是怎麼產生的呢？

海森堡不確定性理論認為，當時間確定時，真空中也在時時刻刻產生很多粒子-反粒子對，但它們瞬間湮滅以維持能量守恆，但當這些粒子對在黑洞視界附近產生時一個粒子被黑洞吞噬，另一個粒子就會逃離，這個逃離的粒子就是所謂的霍金輻射！

為什麼霍金輻射會消耗黑洞的質量呢？因為逃離的那個粒子能被我們觀測到，就是實粒子，那麼跌入黑洞的那個就是虛粒子，如此這般，黑洞是不是就被逐漸消耗掉質量了？這是不是就是黑洞蒸發？

因此2008年6月NASA發射了GLAST衛星，尋找蒸發的黑洞中γ射線的閃光就是它的重要目的，不過到現在為止我們仍然沒有確認過霍金輻射！

彭羅斯獲獎是因為證明了奇點的存在，而讓廣相的推論名副其實，因此從這點來說彭羅斯和霍金之間的差距，但要是霍金在世呢？是否奇點定理會翻身成為諾貝爾獎得主？其實也沒有如果，因為霍大爺研究的太高深了，關於宇宙大爆炸前的奇點和霍金輻射，到現在仍然無法驗證！

相關焦點

  • 今年的諾貝爾物理獎終於頒發給了黑洞，霍金是不是非常委屈
    2020年諾貝爾物理獎終於公布了，結果卻出乎所有人意料，居然頒發給了關於黑洞的研究，好像是諾貝爾獎委員會給全世界開了一個玩笑。在諾貝爾物理學獎上有一個不成文的規矩，就是天體物理學、粒子物理學、原子分子及光物理學和凝聚態物理學四大領域輪流轉
  • 黑洞探索者:霍金缺席的諾貝爾物理獎毫不失色
    來源：中國新聞周刊黑洞的理論預言與發現　　是宇宙學領域的重大進步　　應該在很久之前就獲諾獎本刊記者/杜瑋李明子10月6日下午，諾貝爾物理學獎揭曉，頒給發現宇宙「黑洞」的三代物理學家。中科院院士、中科院理論物理研究所所長蔡榮根在接受《中國新聞周刊》採訪時指出，目前，黑洞的研究方向，主要是探索其外面的物質的運動規律，還有超大質量黑洞是怎麼形成的，再有就是黑洞的量子性質。上世紀70年代，霍金證明了黑洞不是黑的，有所謂的霍金輻射，即熱輻射。在黑洞熱力學當中，量子力學、廣義相對論、統計物理這些不同的學科糾纏在一起，所以現在試圖從黑洞的熱力學的啟發下研究量子引力理論。
  • 諾貝爾物理獎獎頒布,華人獲諾獎最多的領域:霍金「戰友」獲獎
    今年的諾貝爾物理學獎仍然聚焦天體物理學領域，帶我們發現宇宙探索的又一「高光時刻」——黑洞和銀河系「最深處的秘密」。這三位科學家正是在這一領域做出了開創性的貢獻。據諾貝爾官網介紹，羅傑·彭羅斯於1931年出生於英國科爾切斯特，他因發現黑洞的形成是廣義相對論的可靠預測而獲獎。
  • 諾貝爾物理獎獎頒布，華人獲諾獎最多的領域：霍金「戰友」獲獎
    剛剛，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2020年諾貝爾物理學獎的一半授予羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），另一半授予雷因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·格茲（Andrea Ghez），以表彰他們「發現了宇宙中最奇特的現象之一——黑洞」。
  • 為何今年諾貝爾物理獎頒給了黑洞領域？
    今年的諾貝爾物理學獎出人意料：一是打破了連續兩年不頒給同一個領域的「規則」，諾貝爾物理學獎頒給了天體物理領域。2020年諾貝爾物理學獎的一半授予羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），另一半授予雷因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德裡亞·格茲（Andrea Ghez），以表彰他們在天體物理學領域的卓越工作。
  • 霍金的朋友、著名數學家彭羅斯獲得2020年諾貝爾物理學獎
    2020年10月6日，諾貝爾物理學獎公布了。令我吃驚的是，這次我不但是有所了解，而且是了解得不算少，能立刻解讀一下。因為這第一位獲獎者實在是太有名了，羅傑·彭羅斯（Roger Penrose，1931 - ）。他是一位著名的科普作家，我看過他的《皇帝新腦》。
  • 諾貝爾物理學獎頒給黑洞,或許是因為錯過了霍金
    當然，因為天體物理領域近年來獲得的諾貝爾物理獎實在是太多了，今年又授予了這一領域，所以我還是挺意外的；而且很多人也認為，黑洞的諾獎很可能會給最早的黑洞發現者，獲獎的兩位觀測天文學家很顯然不是。不過這三位獲獎也是實至名歸——對於黑洞的存在，他們分別貢獻了無可爭議的理論預言和無可置疑的觀測證據，在當世科學家中的確最為突出。祝賀他們！
  • 諾貝爾物理獎首次頒向黑洞!霍金好友加冕,第四位女性獲獎者誕生
    △ 2020年諾貝爾物理學獎獲得者（圖片來自：Nobel Media）其中，彭羅斯獲獎原因是發現黑洞形成是廣義相對論的有力預言，他將獲得1000萬瑞典克朗獎金的一半。根澤爾和蓋茲獲獎原因是發現了銀河系中心的超大質量緻密天體，兩人將分享另一半獎金。
  • 諾貝爾物理學獎頒給黑洞,或許是因為錯過了霍金-虎嗅網
    當然，因為天體物理領域近年來獲得的諾貝爾物理獎實在是太多了，今年又授予了這一領域，所以我還是挺意外的；而且很多人也認為，黑洞的諾獎很可能會給最早的黑洞發現者，獲獎的兩位觀測天文學家很顯然不是。不過這三位獲獎也是實至名歸——對於黑洞的存在，他們分別貢獻了無可爭議的理論預言和無可置疑的觀測證據，在當世科學家中的確最為突出。祝賀他們！
  • 物理諾獎的科學哲學突破：從彭羅斯和霍金說起
    今年諾獎官方文件裡解釋，彭羅斯的獲獎成果就是這個奇點定理。 因此，按照諾獎傳統，霍金本來是有機會獲得諾獎的。黑洞無發定理是說，黑洞只需要由質量、電荷和轉動角動量描述。諾獎對這些領域的態度變得更友好。這些領域不一定研究黑洞奇點這種完全不能直接觀測的課題，但是與圍繞實驗或觀測的相關領域相比，關心的問題、研究的風格和方法，乃至價值標準都有所不同。彭羅斯的工作屬於與天體物理相關的引力理論，類似的領域，還有與凝聚態物理相關的統計物理，與粒子物理相關的量子場論，等等。傳統來說，它們的成果顯然不容易獲得諾獎。
  • 物理諾獎的科學哲學突破:從彭羅斯和霍金說起
    cat=gk-articles - 導 讀 - 2020年諾貝爾物理學獎的一半授予彭羅斯的理論工作。一個引起廣泛興趣的問題是：如果霍金健在，能否也獲諾獎？本文從這個問題開始，拓展到更深更廣的視野。
  • 霍金的好朋友榮獲諾貝爾物理獎 看來活得久真的很重要
    其中，羅傑·彭羅斯是霍金的好朋友，曾經和霍金密切協作。彭羅斯已89歲高齡，他出生於英國埃塞克斯州的一個醫生家庭。英國數學物理學家、牛津大學數學系名譽教授，他在數學物理方面的工作擁有高度評價，特別是對廣義相對論與宇宙學方面的貢獻。他的爸爸是著名的人類遺傳學家萊昂內爾·彭羅斯，羅傑·彭羅斯先進入倫敦大學的附屬中學，而後畢業於倫敦大學學院（UCL）。
  • 諾貝爾物理獎首次頒向黑洞！霍金好友加冕，第4位女性獲獎者誕生
    △ 2020年諾貝爾物理學獎獲得者（圖片來自：©Nobel Media），美國物理學會會員，美國國家科學院外籍院士。最後一位是Andrea Ghez，安德裡亞·蓋茲，1965年生於美國紐約，今年諾貝爾物理學獎的唯一女性獲得者，同時也是第四位
  • 沒能等到2020年的諾貝爾物理獎,但霍金如同掉落黑洞視界,信息永存!
    作為天文物理學的「代言人」，霍金讓很多的人喜歡上了物理的研究，讓更多的人了解了現代物理理論。1988年發行的《時間簡史》，至今全球銷售量達到2500萬冊，翻譯為40多種語言，創下世界紀錄，長期雄踞科學類暢銷書的榜首。
  • 為霍金感到遺憾!其論文重要合作夥伴獲今年諾貝爾物理獎
    10月6日，2020年諾貝爾物理學獎授予羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)、賴因哈德·根策爾(Reinhard Genzel)和愛德莉亞·蓋茲(Andrea Ghez)，以表彰前者「發現黑洞形成是廣義相對論的一個有力預測」和後兩者「發現我們星系中心的超大質量的緻密天體」。霍金和彭羅斯羅傑·彭羅斯，1931年出生於英國科爾切斯特。
  • 霍金走的太早了!其論文合作夥伴剛獲今年諾貝爾物理獎
    2019年人類首次拍攝到遙遠黑洞的照片，這一切也加速了物理諾獎授予黑洞研究的步伐。霍金是彭羅斯論文的重要合作夥伴，如果霍金活著，大概率也能拿諾獎。2015年人類首次探測到黑洞合併發出的引力波。2019年人類首次拍攝到遙遠黑洞的照片，這一切也加速了物理諾獎授予黑洞研究的步伐。
  • 如果霍金還活著，會分享今年的諾貝爾物理學獎嗎？
    上海交通大學物理與天文學院教授劉江來在接受記者採訪時說，今年的諾貝爾物理學獎頒給的三位科學家，恰好是理論和觀測的兩個方面，一個從廣義相對論預言了黑洞，一個是通過天文觀測發現了我們的銀河系中心就有這樣得超大質量黑洞。
  • 彭羅斯等獲得2020年諾貝爾物理學獎，可惜獲獎人中缺了霍金
    ，諾貝爾物理學獎對天體物理情有獨鍾。他最出名的貢獻是和史蒂芬·霍金一起提出了著名的彭羅斯-霍金奇點定理，並因此而獲得了1988年的沃爾夫物理獎，這一獎項通常被認為是諾貝爾物理學獎之外最重要的物理學獎，許多沃爾夫獎獲得者也是諾貝爾物理學獎得主。諾貝爾獎的規則是只頒給活著的人。
  • 「如果再早幾年，霍金應該也能得諾獎」| 2020諾貝爾物理學獎
    2017年，諾貝爾物理學獎頒給了研究黑洞合併形成的引力波的三位科學家。今年諾獎的另外兩個獲得者的發現，銀河系中心的所謂超大質量緻密天體，就是黑洞。曾經天文學並不包含在諾貝爾物理學獎的頒獎領域中，從上世紀七十年代後才被納入。
  • 霍金的研究夥伴摘得諾獎!上任諾獎得主竟然這樣說…… | 解讀諾貝爾物理學獎
    北京時間今天18時許，在大家焦急等待了十多分鐘後，諾獎委員會宣布，將2020年諾貝爾物理學獎的一半授予羅傑·彭羅斯，「以表彰他發現黑洞的形成是廣義相對論的有力預言」。1969年，為了修補某些特殊黑洞存在破壞時空因果性的「裸奇點」問題，彭羅斯大膽提出了「宇宙監督假想」，他預言必定有某種物理定律，來防止「裸奇點」的出現。霍金曾是彭羅斯的研究夥伴，對此表示強烈支持，還幽默地說「上帝憎惡裸奇點」。他們二人獲得1988年沃爾夫物理學獎，也是因為共同研究並提出的彭羅斯-霍金奇點理論。